Cell Signaling

Intro to cell signaling

細胞能感知周圍變化，根據鄰居的通報來即時應變。 現在，你的細胞正透過 chemical signaling molecules 進行上百萬個訊息傳遞 !

• 細胞之間透過 chemical signals 來交流

  • Signals 通常為 sending cell 所產生的 proteins 或其他 molecules

  • 從 cell 中被排出到 extracellular space

  • 像瓶中信一樣漂流在細胞之間

• 擁有對應的 receptor 的 target cell 才能接收訊息

  • 他們要接收的那些 signals 可以稱做 ligands

  • 當 receptor 接收到 ligands

    • 就會改變 receptor 的形狀，試圖改變細胞內部的活動

Ligands 的訊息會在細胞內被"接力"傳遞

• 由一連串的 chemical messengers 來接龍傳達

  • 最終改變細胞活動

    • 例如改變 gene 的活動

    • 例如引導整個 process (e.g., cell division)

• 在細胞間傳遞的 signal 稱為 intercellular signal

• 在細胞中傳遞的 signal 稱為 intracellular signal

The signal transduction pathway is made up of the following steps: 1. A ligand binds to a cell-surface receptor, which initiates a response on the inside of the cell by activating an initial protein. 2. The protein goes on to activate other proteins or second messenger molecules such as $\text{Ca}^{2+}$ or cAMP. 3. The final target is reached, causing the intended response.

Forms of signaling

細胞之間的距離不一，傳遞方式也不相同，在 multicellular organisms 有四種基本的 chemical signaling

• Paracrine signaling

• Autocrine signaling

• Endocrine signaling

• Direct contact

Paracrine signaling

• Paracrine signaling 是最近的傳遞方法

  • Chemical messengers (ligands) 很短距離就可到達目標細胞

  • 通常跟鄰居進行 locally coordinate activities

  • 在 development 時特別重要

Synaptic signaling

Nerve cells 之間的 paracrine signaling 又稱為 synaptic signaling

• Sending neuron 發射一個 electrical impulse 快速移動在 axon 中 (long, fiber-like)

  • 當 impulse 接觸到 synapse 就會釋放 neurotransmitters (ligands)

  • Neurotransmitters 會快速通過 nerve cells 之間的 gap

  • 來到 receiving cell 和 receptors 結合，改變細胞活動

Neurotransmitters 會被快速收回，讓 synapse 能夠快速準備下一次的 signaling

Autocrine signaling

• 將 ligands 傳遞到自己身上的 receptors

  • 看起來沒用，但其實扮演很重要的工作 (e.g., development)

  • 幫助細胞在初期加深自己正確的身份

  • 在醫學上，幫助 cancer 執行 metastasis (癌細胞轉移)

多數環境下，signal 可以同時擁有 autocrine 和 paracrine 的效用，幫助 sending cell 和區域的 cells 交流

Endocrine signaling

• 當細胞需要將訊息傳遞到很遠方時，需要使用 circulatory system (distribution network like)

  • Signals 被特定細胞產生，釋放到 bloodstream 中

  • 透過 bloodstream 運送到身體不同的地方

  • 這些 signals 稱為 hormones

人體常見的 endocrine glands 很多，都負責非常重要的工作，釋放一到多種重要的 hormones

• Thyroid (甲狀腺)

• Hypothalamus (下視丘)

• Pituitary (腦垂腺)

• Gonads (生殖腺)

  • Testicle (睪丸) and ovary (卵巢)

• Pancreas (胰臟、胰腺)

例如 Pituitary 釋放 growth hormone (GH)，負責生物生長，特別是在 skeleton 和 cartilage 部分

Signaling through cell-cell contact

• Cell-cell 之間也能透過 gap junctions (animal) 和 plasmodesmata (plants) 來直接傳遞訊息

  • 在這兩種充滿水的 channel 移動的 signaling molecules 稱為 intracellular mediators

  • 一些小的例如 calcium ions ($\text{Ca}^{2+}$) 可以通過

  • 但大的例如 proteins, DNA 如果沒有特別幫助，就不行直接通過

• 細胞可以透過此類型交流連成一個網路

  • 或許只有其中一個細胞收到指令

  • 但卻可以分享給周邊所有細胞

  • 在植物中 plasmodesmata 就幾乎充斥所有細胞之間，形成巨大網路

另外還有一種 direct signaling 的方式，如下圖

• 兩個細胞有 complementary proteins 在細胞表面的時候

  • 接收到的一方會改變形狀 (有時兩者一起改變)

  • 這類傳遞 signal 方法多發生於 immune system

  • 例如上圖是 immune cell 利用自己的表面 markers 來確認其他細胞是敵是友

Communication in single-celled organisms

人體間的細胞可以互相溝通，那單細胞生物呢 ?

• 要的，例如 yeast 和 bacteria 都還是要和同族群的生物"對話"

  • 例如 bacteria 透過 chemical signal 確認周遭同一族群的數量

  • Yeast 則是用 chemical signals 來尋找伴侶

Quorum sensing in bacteria

• 原本大家都認為 bacteria 是單獨行動

  • 但其實 bacteria 是一個 community

  • 彼此之間透過 quorum sensing 的 cell-cell signaling 模式來交流

    • Bacteria 透過 quorum sensing 來監測 bacteria population 的密度

    • 當超過一個 threshold level，該區域的 bacteria 就會同時改變行為或是 gene expression

Signaling in yeasts

• Yeast 是一種 fungus (single-celled eukaryotes)

  • 其中某個重要的 signaling pathway 是 mating factor pathway

  • Budding yeast 也能互相進行像人類一樣的 sexual reproduction

    • 2 個 haploid cells (single set of chromosomes, like sperm and eggs)

    • 融合成 1 個 diploid cell (two sets of chromosomes, like human body cell)

    • Diploid cell 又可以透過 meiosis 產生多個組合 genetic material 的 haploid cells

為了尋找能夠配對的 haploid yeast cell， budding yeast 就會用到 mating factor 這個 signal